Entstehung des Mondes
Die Entstehung des (Erd)mondes wird seit Jahrhunderten von Wissenschaftlern diskutiert. Seit Mitte der 1980er Jahre hat sich die Ansicht durchgesetzt, dass der Mond nach einem seitlichen Zusammenstoß der Proto-Erde mit einem etwa marsgroßen Körper entstanden ist. Dabei wurde viel Materie in eine Umlaufbahn zurückgeworfen, aus der sich dann der Mond formte (Kollisionstheorie). (Anmerkung: Das Präfix „Proto-“ verdeutlicht, dass es sich noch um die Vorläufer während der Entstehung handelt und nicht um die Himmelskörper, wie wir sie heute kennen.)
Man spricht aus mehreren Gründen auch von der Entstehung des Erde-Mond-Systems. Zum einen gibt es im ganzen Sonnensystem (mit Ausnahme von Pluto und Charon) keinen weiteren Mond, der eine ähnliche Größe im Vergleich zu dem umkreisten Planeten aufweist. Zum anderen ist auch der Bahndrehimpuls des Mondes viel höher als bei allen anderen Monden, wiederum mit Ausnahme des Charon. Die Entwicklung des Pluto-Charon-Systems hat sich jedoch in einer sehr kühlen Region des Sonnensystems abgespielt und hat sehr wahrscheinlich keine Gemeinsamkeiten mit der Entwicklung des Erde-Mond-Systems.
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Entstehung des Sonnensystems
Die Entstehung des Sonnensystems begann mit dem gravitativen Kollaps einer Gaswolke, aus der die Sonne als massives Zentrum hervorging. Aus dem verbleibenden Material (Gas und Staub) bildeten sich kleine Planetesimale, aus diesen wiederum die Planeten. In der Folge stürzten die meisten Planetesimale entweder auf die Planeten oder wurden durch diese ins äußere Sonnensystem (Kuipergürtel und Oortsche Wolke) oder sogar aus dem Sonnensystem hinaus geschleudert.
Entstehung des Mondes
Soweit bekannt stammen die ersten Überlegungen über die Entstehung des Mondes, die man als Vorläufer der Einfangtheorie betrachten kann, von Rene Descartes. Sie wurden erst 1664, lange Zeit nach Descartes Tod, publiziert.
Moderne Theorien
Zur Entstehung des Erde-Mond-Systems sind seit dem 19. Jahrhundert mehrere Theorien entwickelt worden. Dies sind im Wesentlichen
- die Abspaltungstheorie: Von einer heißen, (zäh)flüssigen und schnell rotierenden Proto-Erde schnürte sich ein Tropfen ab und bildete den späteren Mond.
- die Einfangtheorie: Erde und Mond entstanden unabhängig in verschiedenen Regionen des Sonnensystems; bei einer engen Begegnung fing die Proto-Erde den Proto-Mond durch ihre Gravitation ein.
- die Schwesterplanet-Theorie: Erde und Mond entstanden gleichzeitig und nahe beisammen.
- die Öpik-Theorie: Der Vorläufer des Mondes entstand aus der Materie, die von einer heißen Proto-Erde abdampfte.
- die Viele-Monde-Theorie: Mehrere Monde werden gleichzeitig eingefangen und kollidieren nach einiger Zeit. Aus den Bruchstücken bildet sich der heutige Mond.
- die Kollisionstheorie: Die Proto-Erde kollidiert mit einem großen Körper und aus der weggeschleuderten Materie bildet sich der Mond.
Ein gutes Modell muss nicht nur physikalisch möglich sein, sondern muss auch mit den Eigenschaften des Mondes bzw. des Erde-Mond-Systems vereinbar sein und diese wenn möglich sogar erklären:
- Die Dichte des Mondes ist mit 3,3 g/cm3 deutlich geringer als die der Erde mit 5,5 g/cm3
- Der Mond hat im Vergleich zur Erde ein großes Defizit an leicht flüchtigen Elementen sowie an Eisen.
- Die isotopische Zusammensetzung der Gesteine der Erdkruste und der Mondoberfläche ist nahezu identisch, im Gegensatz zum Rest des Sonnensystems.
- Der Drehimpuls des Erde-Mond-Systems ist ungewöhnlich hoch.
- Der Mond dreht sich im gleichen Drehsinn genauso schnell um sich selbst wie um die Erde. Er hat also eine an seine Umlaufbewegung gebundene Rotation und zeigt der Erde immer die gleiche Seite.
Abspaltungstheorie
Die Abspaltungstheorie wurde von George Darwin, dem Sohn von Charles Darwin, 1878 entwickelt. Demnach rotierte die Erde in ihrer Frühphase so stark, dass sich durch Instabilitäten ein Teil ablöste und den Mond bildete. 1882 fügte der Geologe Osmond Fisher die Feststellung hinzu, dass der Pazifische Ozean die heute noch sichtbare Narbe dieser Abspaltung darstellt.
- Diskussion: Solch eine Herauslösung aus der extremen Äquatorwulst erklärt recht gut die Größe des Mondes. Auch seine geringere mittlere Dichte ist damit vereinbar, denn sie entspricht der Dichte des Erdmantels. Nach neueren Forschungen hat die Erde früher tatsächlich schneller rotiert, d. h. die Tage waren früher kürzer; es gibt aber keine sinnvolle Erklärung für die hohen Rotationsgeschwindigkeiten (Tageslänge von ca. 2,5 h), die für den heutigen Gesamtdrehimpuls des Erde-Mond-Systems nötig gewesen wären. Auch die Vorstellung, dass der Pazifik die Narbe dieser Abspaltung darstellt, ist durch die Plattentektonik widerlegt. Die Bahnebene des Mondes ist zudem viel zu stark gegen die Äquatorebene der Erde geneigt. In Hinsicht der Roche-Grenze bleibt offen, wie der Mond den zerstörerischen Gezeitenkräften dieses Nahbereiches entkommen sein soll. Des weiteren gibt es keine plausible Erklärung für das Defizit bei leicht flüchtigen Elementen.
Einfangtheorie
Die Einfangtheorie wurde 1909 von Thomas Jefferson Jackson See vorgeschlagen. Sie besagt, dass sich der Mond als eigenständiges Planetesimal an einem anderen Ort im Sonnensystem gebildet hat und bei einer engen Begegnung mit der Erde eingefangen wurde.
- Diskussion: Die Einfangtheorie kann den hohen Drehimpuls des Systems sowie den Unterschied der Dichte von Erde und Mond sehr elegant erklären. Sie erfordert jedoch eine sehr spezielle Einfangbahn, die einen großen Zufall bedeutet. Zudem müsste der Mond einen kurzen Eintritt in die Roche-Grenze überstanden haben, was bislang nicht erklärt werden kann. Auch macht diese Theorie keinerlei Aussage darüber, warum der Mond sowohl bei leichtflüchtigen Elementen als auch bei Eisen ein Defizit gegenüber der Erde hat. Bei der Ähnlichkeit der isotopischen Zusammensetzung scheitert die Theorie völlig.
Schwesterplanet-Theorie
Die Schwesterplanet-Theorie wurde 1944 von Carl Friedrich von Weizsäcker entwickelt, wesentliche Vorarbeiten zur Stabilität stammen von Édouard Albert Roche. Den ersten, rein qualitativen Entwurf verfasste Immanuel Kant. In seiner Kosmogonie von 1755, dem ersten naturwissenschaftlichen Erklärungsversuch des Ursprungs der Himmelskörper, entwickelten sich Erde und Mond aus einer gemeinsamen Verdichtung des präsolaren Urnebels direkt zu einem Doppelplaneten. Die Hauptmasse der lokalen Verdichtung ballte sich zur Erde und aus der verbliebenen Staubhülle hat sich der Mond gebildet.
- Diskussion: Wenn sich Erde und Mond eng beieinander entwickelten, ist es absolut unverständlich, warum sich die Dichte beziehungsweise der Anteil von leichtflüchtigen Elementen sowie von Eisen bei Erde und Mond so stark unterscheiden. Für den hohen Anteil des Bahndrehimpulses des Mondes im Vergleich zum Drehimpuls der Erde selbst gibt es keine plausible Erklärung. Auch die 5 Grad große Neigung der Mondbahnebene gegen die Bahnebene der Erde wird damit nicht begreiflich.
Öpik-Theorie
Ernst Öpik schlug 1955 eine Theorie vor, die man zwischen der Abspaltungs- und der Schwesterplanet-Theorie einordnen kann. Die von einem Ringsystem aus eingefangenen Gesteinstrümmern umgebene Proto-Erde heizte sich im Laufe ihrer Entwicklung durch die permanenten Einschläge auf ca. 2000 °C auf und dampfte große Materiemengen wieder ab. Während der Sonnenwind die leichteren Elemente weggeblasen hat, kondensierten die schwereren und bildeten zusammen mit Teilen des Ringsystems den Proto-Mond. Diese Aufheizung erfolgte erst in einer späten Phase der Erdentstehung, so dass durch einen bereits ausgebildeten Erdkern der Anteil von Eisen in den Mantelschichten der Proto-Erde schon deutlich verringert war.
- Diskussion: Diese Theorie ist sehr gut mit den beobachteten geochemischen Eigenschaften des Mondes vereinbar, die Impulsprobleme der Schwesterplaneten-Theorie bestehen jedoch unverändert.
Viele-Monde-Theorie
Im englischen Sprachraum als many-moons theory bezeichnet, erlebte diese Theorie eine kurzzeitige Popularität, nachdem sie 1962 von Thomas Gold vorgeschlagen und in den darauffolgenden Jahren von Gordon MacDonald formalisiert wurde. Grundlegender Gedanke ist, dass es für die Erde einfacher ist, mehrere kleine als einen großen Himmelskörper einzufangen. Wenn nun sechs bis zehn kleine Monde von der Erde eingefangen werden und diese umkreisen, so wandern die Bahnen dieser Monde aufgrund der Gezeitenwirkung nach außen. Im Laufe von einer Milliarde Jahren stoßen die kleinen Monde dann zusammen, und aus den Bruchstücken entsteht der Erdmond.
- Diskussion: Diese Theorie wurde durch die Gesteinsproben der Apollo-Missionen (isotopische Zusammensetzung) widerlegt.
Kollisionstheorie
right|Illustration Kollisionstheorie Die Kollisionstheorie wurde von William K. Hartmann und Donald R. Davis 1975 entwickelt. Nach dieser Theorie kollidierte in der Frühphase der Planetenentwicklung ein etwa marsgroßer Planetoid, der nach der Mutter der griechischen Mondgöttin Selene bisweilen Theia genannt wird, mit der Proto-Erde, die damals bereits etwa 90% ihrer heutigen Masse hatte. Die Kollision erfolgte nicht zentral, sondern fast streifend, so dass große Materiemengen bestehend aus Teilen des Mantels des Impaktkörpers und des Erdmantels in einen Erdorbit weggeschleudert wurden. Aus diesen Trümmern bildete sich innerhalb von weniger als 100 Jahren der Proto-Mond. In knapp 10.000 Jahren verdichtete er sich zum Mond und umkreiste die Erde in einem Abstand von rund 60.000 km.
Die Entwicklung dieser Theorie wird im Folgenden ausführlicher erläutert, da dieses Szenario die heute vorliegenden Fakten am besten beschreibt.
Entstehungsgeschichte der Kollisionstheorie
Der erste Vorschlag, den Ursprung des Mondes in einer kosmischen Katastrophe zu sehen, fand sich 1946 in einer Veröffentlichung Reginald Aldworth Dalys in den Proceedings of the American Philosophical Society; sie blieb, unter anderem auch aufgrund der kurz danach verbreiteten Theorien Immanuel Velikovskys, unbeachtet.
In den 1960ern entwickelte der russische Astrophysiker Victor S. Safronov die Theorie, dass die Planeten durch die Zusammenballung einer großen Anzahl kleinerer Planetesimale entstanden sind. Hartmann und Davis griffen diese Hypothese auf und konnten Safronovs rein analytische Arbeiten durch Computersimulationen verbessern. Sie untersuchten die Größenverteilung der entstehenden „Zusammenballungen“ und erhielten dabei eine vergleichbare Größenverteilung wie im heutigen Asteroidengürtel: Neben einem großen Körper (vergleichbar Ceres mit ca. 1000 km Durchmesser) bildeten sich mehrere Körper mit etwa 1/10 seiner Masse (vergleichbar Pallas, Vesta und Hygeia mit 400 bis 600 km Durchmesser). Die Grundidee der Kollisionstheorie liegt nun darin, dass einer dieser Körper erst in der Endphase der Planetenentstehung fast streifend mit der Proto-Erde kollidierte, wodurch ein Teil der Gesamtmasse in den Orbit geschleudert wurde und den Mond bildete. Hartmann und Davis veröffentlichten diese Theorie 1975. Unabhängig davon kamen Alastair G. W. Cameron und William Ward 1976 durch Überlegungen zum Drehimpuls zum gleichen Ergebnis.
1988 veröffentlichten A. C. Thompson und David J. Stevenson eine Untersuchung über die Bildung von kleineren Körpern aus dem Kollisionsmaterial im Orbit, aber es gab nur wenige, die sich ernsthaft mit der Kollisionstheorie auseinandersetzten. Den Durchbruch brachte eine internationale Konferenz 1984 in Kailua-Kona, Hawaii, über die Ursprünge des Mondes. Die Diskussion der ersten Untersuchungen des von den Apollo-Missionen zur Erde zurückgebrachten Mondgesteins führte bei den meisten Wissenschaftlern zu der Überzeugung, dass die Kollisionstheorie die Fakten deutlich besser beschreibt als alle anderen Theorien über die Entstehung des Mondes. Insbesondere zeigte sich, dass die isotopische Zusammensetzung der Elemente des Mondgesteins der von irdischem Gestein im Wesentlichen gleicht. So liegen etwa die Sauerstoff-Isotopenverhältnisse von irdischem Gestein, Apollo-Proben und Mondmeteoriten auf einer gemeinsamen Fraktionierungslinie, was zeigt, dass der Sauerstoff – als häufigstes Element im Erde-Mond-System – aus einem gemeinsamen durchmischten Reservoir kommen muss. Im Gegensatz dazu liegen etwa die Sauerstoffisotopenverhältnisse von sonstigen Meteoriten je nach Ursprung auf anderen Fraktionierungslinien.
In den 1990ern gab es einen Rückschlag für die Theorie, als erste Simulationsrechnungen den Impakt eines Körpers mit der dreifachen Marsmasse erforderten, um genügend Material in den Orbit zu befördern. Dieser Einschlag, zu einem Zeitpunkt, als die Proto-Erde etwa die Hälfte ihrer jetzigen Größe erreicht hatte, hätte jedoch deutlich zuviel Drehimpuls übertragen; es wäre deshalb noch ein weiterer schwerer Impakt gegen Ende der Akkretionsphase der Erde notwendig gewesen. 2001 konnten Robin M. Canup und Erik Asphaug jedoch mit verbesserten Modellen zeigen, dass ein einziger Impakt gegen Ende der Akkretionsphase ausreicht, um sowohl Masse als auch Geochemie des Mondes sowie den Drehimpuls des Erde-Mond-Systems zu erklären. Die besten Ergebnisse erhält man nach diesen Simulationen für einen Impaktkörper, der etwas größer als der Mars ist und mit einer Relativgeschwindigkeit von weniger als 4 km/s (14.400 km/h) in einem Stoßwinkel von ca. 45° kollidiert. Durch Vergleich der Niob-Tantal-Verhältnisse des Mondes und der Erde mit dem Niob-Tantal-Verhältnis des übrigen Sonnensystems konnte inzwischen gezeigt werden, dass der Mond mindestens zur Hälfte aus Erdmaterial besteht.
- Diskussion: Nach Übereinstimmung einer Mehrzahl von Wissenschaftlern stimmt die Kollisionstheorie sehr gut mit den Beobachtungen überein, auch wenn noch sehr viel Detailarbeit notwendig ist. Vor allem in den Simulationsrechnungen wird noch mit sehr starken Vereinfachungen gearbeitet und es gibt noch keine konsistenten mathematischen Modelle für die Bildung und die Struktur der orbitalen Scheibe nach dem Impakt. Trotz der Unsicherheiten über den genauen Verlauf des Impakts und der nach derzeitigem Kenntnisstand geringen Wahrscheinlichkeit eines derartigen Zusammenstoßes mit einem Körper genau der richtigen Größe genau zur richtigen Zeit mit genau den richtigen Stoßparametern gibt es im Gegensatz zu den anderen vorgeschlagenen Hypothesen zumindest keine größeren Widersprüche zu den Beobachtungen.
Zusammenfassung
Zu Beginn des 21. Jahrhunderts scheinen alle Fakten für die Kollisionstheorie zu sprechen, aber wegen der noch offenen Detailfragen kann eine andere Entstehungsgeschichte noch nicht ausgeschlossen werden. Genau wie das Impaktszenario Anfang der 1970er praktisch aus dem Nichts entstanden ist, könnten bei der weiteren Erforschung der Entstehung des Sonnensystems im Allgemeinen und des Erde-Mond-Systems im Speziellen Ideen entstehen, die noch nicht vorauszusehen sind.
Anmerkung
Ein Hauptziel der Apollo-Missionen war es, auf dem Mond Hinweise zu dessen Entstehung zu finden. Man suchte klare Beweise für eine der Großen Drei Theorien (Abspaltungstheorie, Einfangtheorie, Schwesterplanet-Theorie), aber die ersten Auswertungen warfen bei allen drei nur neue Widersprüche auf. Stattdessen spricht alles für eine Theorie, die zum Zeitpunkt des Apollo-Programms noch gar nicht existierte. Streng genommen handelt es sich in jedem dieser Fälle allerdings eigentlich nicht um eine Theorie, sondern um eine Hypothese.
Literatur
- W. K. Hartmann & D. R. Davis: Satellite-Sized Planetesimals and Lunar Origins, Icarus 24 (1975): 504–515.
- Hartmann, W. K., et al., eds 1986: Origin of the Moon (Houston: Lunar and Planetary Institute)
- Dana Mackenzie: The Big Splat, or How Our Moon Came to Be. (Eine Übersicht der Theorien, historisch nachvollzogen)
Weblinks
- Real Video: Wie entstand der Mond? (Aus der Fernsehsendung Alpha Centauri)
- Der Mond
- Origins of the Moon (engl.)
- The Origin of the Moon (engl.)
- Die Geburt des Mondes – die Eltern sind Theia und Gaia
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